基于TC4/PEEK/C_f混杂层板共振特性的压电除冰性能研究

【摘要】：轻质高强的先进复合材料纤维金属混杂层板结构凭借其优异的耐冲击特性在航空结构领域,尤其是机翼前缘等蒙皮结构部位有着显著的应用优势,但此类迎风面结构在飞行工况下极易遭遇飞机结冰问题,影响气动性能的同时存在失事隐患。因此论文以航空领域结构材料轻量化的应用趋势及飞机结冰问题的严峻性为出发点,探究低能耗压电共振除冰技术在TC4/PEEK/C_f混杂层板结构上的应用可行性及相应除冰优化设计方案。首先,以简化后的TC4/PEEK/C_f混杂层板平板结构为研究对象,采用PSV激光测振实验、理论解析计算及有限元数值计算三种方法获得了其低阶共振特性,包括前十阶固有频率、固有振型及模态阻尼比;基于平均误差为3.22%的有限元法研究后发现,受各阶固有振型中不同方向波腹分布方式的影响,复合平板结构的固有频率随复合材料层纤维方向的改变而变化。随后,以位于平板结构中间位置的小面积速冻冰层为研究对象,优选固有振型中波腹位置与冰层附着位置重合的模态为除冰激励模态,有限元稳态分析方法及地面冷环境除冰实验证实了基于TC4/PEEK/C_f平板结构的压电除冰可行性。-15℃冷环境除冰实验中冰层瞬间掉落的所需最小驱动电压与仿真中冰层附着界面内平均面外剪应力分量达到0.42 MPa的驱动电压最大误差仅有20%;结果表明,对于不同纤维排布方式下的TC4/PEEK/C_f平板结构,沿最大等效刚度方向波腹数量最少的固有模态为其最优除冰模态。最后,基于平板结构设计优化的除冰方案,以TC4/PEEK/C_f混杂层板制NACA0012翼型前缘尖端位置的长条形冰层为研究对象,验证压电共振除冰方法在模拟服役条件下的可行性。实验发现两种纤维排布(0~0和90~0)的翼型前缘结构中,P2-Mode2(压电元件平行于直边排布并驱动结构产生2阶共振)均为最佳除冰方案,所需最小驱动电压分别为203 V和208 V,冰层的剥落方式受其附着界面内最大面外剪应力分量位置的影响;该最优压电除冰方案(P2-Mode2)中单位面积消耗功率仅为1.78 Kw/m~2,相比于新型石墨烯纳米带电热除冰系统下降了64.4%,且除冰时间仅需数秒,低能耗优势显著。为压电共振除冰方法在复合材料结构上的工程化应用及优化设计提供了实验及理论方面的研究基础。